光催化氧化在染料废水脱色技术中的研究进展

2003年第4期贵州环保科技Vo1．9No。4光催化氧化在染料废水脱色技术中的研究进展张继荣陈玲夏四清(同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海200092)摘要综述了染料废水的污染特征，分析了相应的脱色机理，介绍了光催化氧化对染料废水脱色处理的研究进展，并作了综合述评。指出了这种新技术所具有的优点，并对其今后的应用前景进行了展望。关键词光催化氧化染料废水脱色引言纺织印染、染料工业废水是废水处理中的一大难题，不仅色度高，而且很难降解。染料废水主要来源于染料及染料中间体生产行业，由各种产品和中间体结晶的母液、生产过程中流失的物料及冲刷地面的污水等组成。由于染料生产品种多，并朝着抗光解、抗氧化、抗生物氧化方向发展，从而使染料废水处理难度加大。染料废水的处理难点：一是c0D浓度高，而BOD／COD值较小，可生化性差；二是色度高，且组分复杂。C0D的去除与脱色有相关性，但脱色问题困难更大。1光催化氧化脱色机理染料的颜色取决于其分子结构。按Wiff发色基团学说，染料分子的发色体中不饱和共轭链的一端与含有供电子基(如一OH、一NH)或吸收电子基(如一NO)的基团相连，另一端与电性相反的基团相连。化合物分子吸收了一定波长的光量子的能量后，发生极化并产生偶极矩，使价电子在不同能级间跃迁而形成不同的颜色。光催化氧化降解脱色是利用紫外光(UV)使半导体激发产生电子空穴，破坏染料分子中的共轭发色体系和分子结构，从而使废水脱色。当入射光的能量大于半导体本身的带隙能量(Bandgap)时，在光的照射下半导体价带(Valenceband)上的电子吸收光能被激发到导带(Conduction)上，即在导带上产生带有很强负电性的高活性电子，同时在价带上产生带正电的空穴(h)，从而产生具有很强活性的电子一空穴对，形成氧化还原体系u。这些电子～空穴对迁移到催化剂表面后，与溶解氧及H：0发生作用，最终产生具有高度化学氧化活性的羟基自由基(·OH)，利用这种高度活性的羟基自由基便可参与加速氧化还原反应的进行，可以氧化包括生物氧化法难以降解的各类有机污染物并使之完全无机化。染料废水脱色就是让收稿日期：2OO3一O3—27作者简介：张继荣，男。1970年生。硕士生。研究方向：城市污泥资源化·21·维普资讯http://www.cqvip.com2003年第4期贵州环保科技Vo1．9No．4氧化剂吸收光能而产生强氧化性的自由基来诱导破坏染料分子的发色团，从而达到脱色降解的目的。2光催化氧化脱色应用研究目前，在光催化氧化脱色应用领域，催化剂的催化性能直接影响着最终的催化效果，所以催化剂的研究已成为一个重点研究方向。催化剂主要以过渡金属的化合物为主，其中TiO。由于无毒、稳定性高等优点而成为最常用的催化剂，而近年来以Zn、Fe、Cu等元素制成的催化剂的应用研究也越来越受到重视，并广泛地应用于对染料的脱色研究。2．1以TiO。及其制备物为催化剂的研究TiO。光催化反应机理包括以下几个过程：光激发过程、吸附过程、复合过程、捕集过程。氧化还原体系的产生可由下式表示：TiO2+^e一+p施利毅等[2]在高温气溶胶反应器中，利用TiC1气相氧化制备TiO。超细粒子，采用TEM、EDS、XRD、BET比表面积测试等手段对粒子进行表征。结果表明，制备的TiO。含18．979，6金红石相，比表面积44．3m。／g，等效粒径35．3nm。以该粒子为催化剂，光催化降解偶氮染料活性艳红X一3B溶液，研究了染料初始浓度、Ti0。粒子浓度、氧气流量、溶液pH值等对染料脱色率的影响：(1)X一3B增加，催化效率降低。(2)增加Ti0。能加快反应速度，但TiO。浓度过高时，光催化反应速率反而下降。(3)降解度随VO。增大而提高，VO。>0．14m。／h时，染料降解率开始下降。(4)介质pH低于等电点pH时，反应初期反应速度较快；pH高于等电点pH时，反应后期速率明显加快。黄惠莉等[3]研究了TiO。的形态、添加量、粒径大小、作用时间对3种染料废水脱色率的影响及TiO。薄膜对染料废水的处理效果。固定态TiO。的催化效果明显好于悬浮态(表1)。研究还显示，用太阳光作光源时的效果较差，但随照射时间的延长，太阳光的光催化降解效果渐渐接近于紫外光的光催化降解效果。另有以悬浮态的P一25TiO。作催化剂，表1不同条件下的处理情况飞利浦HPK一125W高压汞灯为光源，在20C对刚果红、亚甲基蓝等5种染料进行了光催化处理研究。结果表明，5种染料不仅得到了脱色，还得到了充分的氧化降解。其中，碳元素被矿化成CO。，硫元素被转化为SO，而氮的转化比较复杂，有氨基、NH、N。0等转化产物[。有人吲用紫外光和可见·22·光对靛类染料进行脱色和降解实验，结果表明，在紫外光条件下，染料的降解和脱色效果明显，并能把含碳、氮和硫的杂